[논문]고밀도 폴리에틸렌과 비스무트를 이용한 3D 프린팅용 방사선 복합필라멘트 개발 및 차폐능력 평가

박기석; 김동현

doi:10.7742/jksr.2022.16.3.233

초록
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용융적층 방식의 필라멘트에 대한 방사선의 차폐유무의 관한 연구가 최근 연구되어지기 시작하였지만 차폐능력을 가진 필라멘트는 국내에 판매되지 않고 있으며 관련 연구도 미비하다. 이에 본 연구는 고밀도 폴리에틸렌을 기지재로 하고 강화재로 비스무트를 선정하여 복합 필라멘트를 제작한 후 차폐능력을 평가하고 3D 프린트를 이용한 방사선 차폐 복합물질 개발의 기초자료를 제공하고자 한다. 고밀도 폴리에틸렌에 실효 원자번호가 83인 비스무트를 혼합하였고 비스무트의 함유량을 20 wt%, 30 wt%, 40 wt%로 조절하여 필라멘트를 제작하였다. 제작된 필라멘트는 ASTM의 평가방법을 이용하여 물성 및 차폐능력을 평가하였다. 비스무트 함유량이 증가할수록 밀도, 무게, 인장강도는 증가하였고 차폐능력이 우수해짐을 확인 할 수 있었다. 방사선 차폐능력 평가 결과 HDPE(80%) + Bi(20%)의 경우 60 kV일 때 82%의 차폐율을 보였으며 비스무트 함유량이 40% 일 때는 최대 94.57%이상의 차폐율을 나타내는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 HDPE + Bi 필라멘트를 사용하면 기존에 연구되어진 금속 입자 함유 필라멘트들보다 가볍고 방사선을 차폐할 수 있는 방사선 차폐체 제작이 가능하다는 것을 확인하였고 의료 및 방사선 산업에 있어 방사선 차폐 복합물질로서의 사용가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Research on the presence or absence of radiation shielding for FDM-type filaments has recently begun to be studied, but filaments with shielding capabilities are not sold in Korea, and not studies yet. Therefore, in this research, we will use HDPE (High Density Polyethylene) as a base material, sele...

Research on the presence or absence of radiation shielding for FDM-type filaments has recently begun to be studied, but filaments with shielding capabilities are not sold in Korea, and not studies yet. Therefore, in this research, we will use HDPE (High Density Polyethylene) as a base material, select bismuth as a reinforcing material to manufacture a composite filament, evaluate the shielding ability, and provide basic data for the development of a radiation shielding composite material using 3D printing.A filament is produced by mixing Bismuth with an effective atomic number 83 with HDPE of PE series and adjusting the content of Bismuth to 20% wt, 30% wt, 40% wt. Compounded filaments were evaluated for their physical properties and shielding capabilities by ASTM evaluation methods. As the bismuth content increases, the density, weight, and tensile strength increase, and the shielding capacity is confirmed to be excellent. As a result of the radiation shielding capacity evaluation, it was confirmed that HDPE (80%) + Bi (20%) showed a shielding rate of 82% at 60 kV and a shielding rate of up to 94% or more at 40% bismuth content. In this study, we confirmed that it was possible to produce a radiation shield that is lighter than the metal particle-containing filaments. Furthermore, that have been shield radiation by using HDPE + Bi filaments, and radiation in the medical and radiation industries. The possibility of using it as a shielding complex was confirmed.

Keyword

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. High density polyethylene.
그림 Fig. 2. Composition table of Bismuth powder.
표 Table 1. Composition table of high density polyethylene
그림 Fig. 3. 3D Printing modeling of the test piece.
그림 Fig. 4. Filament Extruder and Schematic.
그림 Fig. 5. Filament Fabrication Process.
그림 Fig. 6. Radiation Shielding Test Tool (narrow beam).
그림 Fig. 7. 3D Printed Sample.
그림 Fig. 8. 3D printing fail sample.
표 Table 2. Tensile Strength of 3D Printed Samples (unit: N/mm²)
표 Table 3. Density of 3D Printed Samples (unit: g/cm³)
표 Table 4. Weight of 3D Printed Samples (unit: g)
$Fig. 9. X-ray Diffraction Analysis.$ 그림 Fig. 9. X-ray Diffraction Analysis.
표 Table 5. Absorbed dose (None) (unit: mGy)
표 Table 6. Absorbed dose of HDPE + Bi 20% wt
표 Table 7. Absorbed dose of HDPE + Bi 30% wt
표 Table 8. Absorbed dose of HDPE + Bi 40% wt

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 기계적 기능적으로 향상된 필라멘트를 제작하기 위해 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE, High Density Polyethylene)에 방사선 차폐 능력을 갖춘 비스무트 금속 입자가 함유된 필라멘트를 제작하여 물성 및 방사선 차폐 능력을 평가한다. 이를 통해 방사선 차폐체 제작이 3D 프린팅으로 제작 가능성 및 임상에서 활용 가능성을 제시하고자 한다.
본 연구는 기존 시장에서 판매되고 있는 금속 분말을 강화재로 설정하여 금속복합필라멘트의 제작 가능성을 파악하고자 한다. 그리고 기계적 기능적으로 향상된 필라멘트를 제작하기 위해 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE, High Density Polyethylene)에 방사선 차폐 능력을 갖춘 비스무트 금속 입자가 함유된 필라멘트를 제작하여 물성 및 방사선 차폐 능력을 평가한다.

제안 방법

본 연구는 기존 시장에서 판매되고 있는 금속 분말을 강화재로 설정하여 금속복합필라멘트의 제작 가능성을 파악하고자 한다. 그리고 기계적 기능적으로 향상된 필라멘트를 제작하기 위해 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE, High Density Polyethylene)에 방사선 차폐 능력을 갖춘 비스무트 금속 입자가 함유된 필라멘트를 제작하여 물성 및 방사선 차폐 능력을 평가한다. 이를 통해 방사선 차폐체 제작이 3D 프린팅으로 제작 가능성 및 임상에서 활용 가능성을 제시하고자 한다.
방사선 차폐 복합 필라멘트 제작은 기지재인 HDPE와 강화재인 Bismuth 분말을 혼합하였다. HDPE에 금속 입자 강화재인 Bismuth를 20% wt, 30% wt, 40% wt 함유시켜 돌담 테크 사의 압출기를 사용하여 필라멘트를 출력하였다.
물성 평가는 HDPE + Bi 로 출력된 시편들을 가지고 인장강도, 밀도, X선회절분석, 무게를 진행하였다.
특수 필라멘트의 방사선 차폐 능력 연구는 아직 미미한 상황이다. 이에 본 연구는 Bismuth를 이용하여 방사선 차폐용 필라멘트를 제작하고 물성 및 방사선 차폐 능력을 평가하였다.

대상 데이터

기지재는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)에 실효 원자번호가 83인 비스무트(Bismuth)를 혼합한 새로운 금속 복합 필라멘트를 제작하였다.
1과 같이 분말 형태의 HDPE가 사용하였다. 실험에 사용된 HDPE는 Dalian Great Fortun Chemical 사에서 판매되었으며 물성은 Table 1과 같다.
강화재로 사용된 Bismuth 는 Avention 사의 Bismuth Powder를 사용하였으며 물성은 Fig. 2와 같다.
방사선 차폐 복합 필라멘트 제작은 기지재인 HDPE와 강화재인 Bismuth 분말을 혼합하였다. HDPE에 금속 입자 강화재인 Bismuth를 20% wt, 30% wt, 40% wt 함유시켜 돌담 테크 사의 압출기를 사용하여 필라멘트를 출력하였다.

이론/모형

시편 출력은 STL 파일로 변환된 데이터를 가지고 Fusion 360 Student Version(Autodesk) 프로그램을 사용하였다. 인장 강도 시편은 두께가 1 mm ~ 14 mm 사이의 경질 플라스틱 시편을 평가하는 방법인 ASTM D638 에 따라 설계하였다.
시편 출력은 STL 파일로 변환된 데이터를 가지고 Fusion 360 Student Version(Autodesk) 프로그램을 사용하였다. 인장 강도 시편은 두께가 1 mm ~ 14 mm 사이의 경질 플라스틱 시편을 평가하는 방법인 ASTM D638 에 따라 설계하였다. 밀도 시험은 ASTM D792에 따라 30 mm × 30 mm × 3 mm, XRD 시험에 사용되는 시편은 25 mm × 25 mm × 3 mm로 설계하였다.
HDPE + Bi 로 출력된 각 시편 출력물의 밀도측정 결과는 Table 3과 같다. 밀도 측정 결과는 비중측정 후 ASTM D792에 따라 밀도로 환산하였다. HDPE + Bi 20% wt 는 0.

성능/효과

Bismuth 함유량은 20% wt , 30% wt, 40% wt로 하여 필라멘트를 제작하였다. 필라멘트의 시편 제작 결과 HDPE의 시편의 출력난이도는 기존 타 필라멘트들보다 높았다. 그 이유는 HDPE의 높은 수축력 때문에 베드 안착률이 떨어졌기 때문이다.
HDPE + Bi 의 인장강도 평가는 Bismuth의 함유량이 증가할수록 인장 강도 역시 증가하였다. 밀도측정 결과 Bismuth의 함유량이 많아질수록 밀도가 높아졌다. XRD 분석 결과에서는 Bismuth 분말의 peak과 유사하여 필라멘트로 만든 시편에 Bismuth 가 함유되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.
밀도측정 결과 Bismuth의 함유량이 많아질수록 밀도가 높아졌다. XRD 분석 결과에서는 Bismuth 분말의 peak과 유사하여 필라멘트로 만든 시편에 Bismuth 가 함유되어 있다는 것을 확인할 수 있었다. 무게는 5 mm의 두께에서 10 g 으로 측정되었다.
방사선의 차폐 능력 평가 결과는 HDPE + Bi (20% wt)경우 60 kVp 차폐율은 31.51% ∼ 82.13% 나타났다
13% 나타났다. 차폐 능력은 Bismuth의 함량이 높아지고 두께가 증가할수록 향상되었다. 최대 차폐율은 40% wt 이상 5 mm의 두께에서 94.
차폐 능력은 Bismuth의 함량이 높아지고 두께가 증가할수록 향상되었다. 최대 차폐율은 40% wt 이상 5 mm의 두께에서 94.57%로 나타났다. 향후, 3D 프린트로 방사선 차폐체를 제작은 일정 기준이상의 최소 두께 확보가 필요할 것으로 생각된다.
본 연구는 HDPE와 Bismuth를 혼합한 금속 복합필라멘트 차폐능력을 평가하여 차폐체를 개발할 수 있다는 점을 확인하였다.

후속연구

57%로 나타났다. 향후, 3D 프린트로 방사선 차폐체를 제작은 일정 기준이상의 최소 두께 확보가 필요할 것으로 생각된다.
향후 연구는 납을 대체할 수 있는 차폐체로 제작하기 위해서 Bismuth의 혼합 비율을 높이기 위한 혼합 기술에 관한 연구가 필요하다. 또한, 차폐체의 효율을 평가하기 위해서 현재 임상에서 사용되고 있는 납 차폐체와 차폐 능력을 비교하는 추가 연구가 이루어진다면 현재 납 차폐체를 대체 할 수 있는 차폐체 개발을 위한 기초자료로 사용될 것으로 사료된다.
향후 연구는 납을 대체할 수 있는 차폐체로 제작하기 위해서 Bismuth의 혼합 비율을 높이기 위한 혼합 기술에 관한 연구가 필요하다. 또한, 차폐체의 효율을 평가하기 위해서 현재 임상에서 사용되고 있는 납 차폐체와 차폐 능력을 비교하는 추가 연구가 이루어진다면 현재 납 차폐체를 대체 할 수 있는 차폐체 개발을 위한 기초자료로 사용될 것으로 사료된다.

참고문헌 (11)

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H. G. Kim, J. H. Yoon, S. D. Choi, "Study on 3D Printer Production of Auxiliary Device for Upper Limb for Medical Imaging Test", Journal of Radiological Science and Technology, Vol. 38, No. 4, pp. 389-394, 2015. https://doi.org/10.17946/JRST.2015.38.4.08

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K. S. Park, W. J. Choi, D. H. Kim, "Evaluation of Metal Composite Filaments for 3D Printing", Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 15, No. 5, pp. 697-704, 2021. https://doi.org/10.7742/jksr.2021.15.5.697

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K. S. Chon, "Monte Carlo Simulation for Radiation Protection Sheets of Pb-Free", Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 11, No. 4, pp. 189-195, 2017. https://doi.org/10.7742/jksr.2017.11.4.189

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S. S. Kang, K. T. Kim, S. C. Noh, B. J. Jeong, J. K. Park, "The Study on Design of Customized Radiation Protective Layer for Medical Radiation Dose Reduction", Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 8, No. 6, pp. 333-338, 2014. https://doi.org/10.7742/jksr.2014.8.6.333

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C. J. Lee, J. N. Sohn, "Plans for 3D printers Diffusion -Focusing on production figures-", Journal of Digital Convergence, Vol. 12, No. 9. pp. 335-341, 2014. https://doi.org/10.14400/jdc.2014.12.9.335

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H. H. Park, "The Evaluation of Performance and Usability of Bismuth, Tungsten Based Shields", Journal of Radiological Science and Technology Vol. 41 No. 6 pp. 611-616, 2018. https://doi.org/10.17946/JRST.2018.41.6.611

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Y. L. Liao, N. K. Lai, Y. S. Tyan, H. Y. Tsai, "Bismuth shield affecting CT image quality and radiation dose in adjacent and distant zones relative to shielding surface: A phantom study", Biomedical Journal, Vol. 42, No. 5, pp. 343-351, 2019. https://doi.org/10.1016/j.bj.2019.04.004

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